Als gevolg van de structuur van composieten gevonden in de natuur en de oude wereld, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben dunne koolstof nanobuisjes (CNT) textiel gesynthetiseerd met zowel een hoge elektrische geleidbaarheid als een taaiheid die ongeveer vijftig keer hoger is dan die van koperfilms, momenteel gebruikt in de elektronica.

"De structurele robuustheid van dunne metaalfilms is van groot belang voor de betrouwbare werking van slimme huid en flexibele elektronica, inclusief biologische en structurele gezondheidsbewakingssensoren, " legde Sameh Tawfick uit, een assistent-professor mechanische wetenschappen en techniek in Illinois. "Uitgelijnde koolstofnanobuisjes zijn geschikt voor een breed scala aan toepassingen van micro- tot macroschalen, waaronder micro-elektromechanische systemen (MEMS), supercondensator elektroden, Elektrische kabels, kunstmatige spieren, en multifunctionele composieten.

"Voor zover we weten, dit is de eerste studie die de principes van breukmechanica toepast op het ontwerp en de studie van de taaiheid van nano-architecturale CNT-textiel. Het theoretische raamwerk van breukmechanica blijkt zeer robuust te zijn voor een verscheidenheid aan lineaire en niet-lineaire materialen."

Koolstof nanobuisjes, die al sinds het begin van de jaren negentig bestaan, zijn geprezen als een "wondermateriaal" voor tal van nanotechnologische toepassingen, en terecht. Deze kleine cilindrische structuren gemaakt van ingepakte grafeenvellen hebben een diameter van enkele nanometers - ongeveer 1000 keer dunner dan een mensenhaar, nog, een enkele koolstof nanobuis is sterker dan staal en koolstofvezels, meer geleidend dan koper, en lichter dan aluminium.

Echter, het is echt moeilijk gebleken om materialen te construeren, zoals stoffen of films die deze eigenschappen op centimeter- of meterschalen aantonen. De uitdaging komt voort uit de moeilijkheid om CNT's te assembleren en te weven, omdat ze zo klein zijn, en hun geometrie is erg moeilijk te controleren.

"De studie van de breukenergie van CNT-textiel heeft ons ertoe gebracht deze extreem sterke films te ontwerpen, " verklaarde Yue Liang, een voormalig afgestudeerde student bij de Kinetic Materials Research-groep en hoofdauteur van het artikel, "Tough Nano-Architectured Conductive Textile Gemaakt door Capillaire Splicing van Carbon Nanotubes, " verschijnen in Geavanceerde technische materialen . Voor zover we weten, dit is de eerste studie van de breukenergie van CNT-textiel.

Beginnend met katalysator afgezet op een siliciumoxidesubstraat, verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen werden gesynthetiseerd via chemische dampafzetting in de vorm van parallelle lijnen van 5 m breed, 10 m lengte, en 20-60 m hoogtes.

"Het verspringende katalysatorpatroon is geïnspireerd op het ontwerpmotief van baksteen en mortel dat vaak wordt gezien in harde natuurlijke materialen zoals bot, parelmoer, de glazen zeespons, en bamboe, " voegde Liang toe. "Op zoek naar manieren om de CNT's aan elkaar te nieten, we werden geïnspireerd door het splitsingsproces ontwikkeld door de oude Egyptenaren 5, 000 jaar geleden om linnen textiel te maken. We hebben verschillende mechanische benaderingen geprobeerd, waaronder micro-rollen en eenvoudige mechanische compressie om de nanobuisjes tegelijkertijd te heroriënteren, dan, Tenslotte, we gebruikten de zelfaangedreven capillaire krachten om de CNT's aan elkaar te nieten."

"Dit werk combineert een zorgvuldige synthese, en delicate experimenten en modellering, " zei Tawfick. "Flexibele elektronica is onderhevig aan herhaaldelijk buigen en strekken, die hun mechanische storing kunnen veroorzaken. Dit nieuwe CNT-textiel, met eenvoudige flexibele inkapseling in een elastomeermatrix, kan worden gebruikt in slim textiel, slimme huiden, en een verscheidenheid aan flexibele elektronica. Door hun extreem hoge taaiheid, ze vertegenwoordigen een aantrekkelijk materiaal, die dunne metaalfilms kan vervangen om de betrouwbaarheid van het apparaat te vergroten."

Naast Liang en Tawfick, co-auteurs zijn onder meer David Sias en Ping Ju Chen.